立方氮化硼刀具材料的性能和特点

1.很高的硬度和耐磨性

CBN的晶体结构与金刚石相似，也属面心立方晶系，不仅晶格常数相近，而且晶体中化学键的类型也相同。原子都由共价键连接。CBN的共价键是饱和的，键的方向性和结合力都很强，因此具有接近金刚石的硬度和抗压强度。CBN微粉的显微硬度为8000～9000HV，PCBN烧结体的硬度也达到3000～5000HV。立方氮化硼有很高的耐磨性，在切削耐磨材料时其耐磨性为硬质合金刀具的50倍，为涂层硬质合金刀具的30倍，为陶瓷刀具的25倍（见图7-2）。PCBN特别适合于加工从前只能磨削的高硬度材料，能获得较好的工件表面质量，实现“以车代磨”，从而可以免除退火、简化工艺，大幅度地节省工时和电力。

图7-2 加工不同工件材料时立方氮化硼和其它刀具材料的耐磨性比较

a）加工W18Cr4V，64HRC b）加工T8钢，58HRC c）加工灰铸铁，170HBW（1—YT30硬质合金2—氧化铝陶瓷3—金刚石4—立方氮化硼）

2.很高的热稳定性

立方氮化硼的热稳定性可达1400℃，比金刚石的热稳定性（700～800℃）高一倍。立方氮化硼在1370℃以上才由立方晶体转变为六方晶体而开始软化。CBN刀具在不同温度下的高温硬度比Al₂O₃-TiC及K10硬质合金刀具都高，如图7-3所示。立方氮化硼的这一特性使得这种刀具可高速切削高温合金和淬硬钢，其切削速度可比硬质合金刀具高3～5倍（见图7-4）。

图7-3 立方氮化硼与其它刀具材料高温硬度比较

图7-4 不同刀具材料适应的工件材料硬度和切削速度的关系

3.优良的化学稳定性

CBN是化学惰性特别大的物质。它的抗氧化温度可达1800℃。试验证明，在空气中加热到1000℃时，CBN与氧在表面产生一层氧化硼薄膜，可防止进一步的氧化。CBN与各种材料的粘接和扩散作用也比硬质合金小得多。与碳只是在2000℃才起反应，与铁族材料直到1200～1300℃也不起化学作用，不会像金刚石那样急剧磨损。根据这一特性，CBN刀具特别适合加工钢铁材料。在中性的、还原性的气体介质中，对酸碱都是稳定的。在大气和水蒸汽中，在900℃以下无任何变化。但是需要注意的是，在1000℃以上CBN与水要起化学反应，从而造成大量CBN被磨耗。因此湿式切削时，要注意选择切削液。即使不用切削液，对刀具寿命及加工表面粗糙度影响也不大，故在高温下切削时，可以采用干切削。

4.良好的导热性能

CBN的导热性虽然赶不上金刚石，但是在各类刀具材料中它的导热性仅次于金刚石，大大高于高速钢和硬质合金。而且随着温度的升高，CBN的热导率是逐渐增加的，而氧化铝的热导率是降低的（见图7-5）。CBN的这种特性可使刀尖处温度降低，减小刀具的磨损，有利于高速精加工时加工精度的提高。在同样的切削条件下，CBN刀具的切削温度要低于硬质合金。

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图7-5 立方氮化硼的热导率随温度的变化曲线

5.较低的摩擦因数

CBN与不同材料的摩擦因数约为0.1～0.3，比硬质合金的摩擦因数（0.4～0.6）小得多。低的摩擦因数导致了切削温度的降低。低的摩擦因数和优良的抗粘接能力使CBN刀具切削时不易形成滞流及及积屑瘤，因而可改善加工表面质量。例如，采用CBN刀具加工粉末冶金不锈钢（52HRC）时，加工表面粗糙度值可达Ra0.08μm。

6.较好的韧性

在硬度较高的材料中，CBN具有较好的韧性。CBN的断裂韧度值K_IC=5～9MPa·m^1/2，比氧化铝陶瓷和单晶金刚石的断裂韧度值高，与聚晶金刚石的断裂韧度值相当，某些牌号的CBN刀具的断裂韧度值已经接近硬质合金K10（K_IC=10～13MPa·m^1/2）。由于CBN的断裂韧度较高，因此铣削时刀齿产生破损的进给量比陶瓷铣刀大得多（见图7-6）。

图7-6 铣削淬硬钢时立方氮化硼和陶瓷铣刀的抗冲击性能比较

立方氮化硼的上述特性使这种刀具加工时可以获得下列效果：

（1）高的刀具寿命和切削加工生产率 可以用这种刀具加工以前只能用磨削方法加工的高硬度淬硬钢、冷硬铸铁和热喷涂（焊）件，可以高速切削高温合金。表7-2所示为CBN和硬质合金刀具车削及铣削不同硬度的钢和铸铁时切削速度对比。可以看出，用CBN刀具车削硬度大于45HRC的钢和任何硬度的铸铁都非常有效。铣削钢时，CBN是硬质合金刀具切削速度的4～8倍，铣削铸铁时则达10～30倍。与车削相比，CBN刀具的铣削速度要高2～3倍。

表7-2 立方氮化硼与硬质合金刀具的切削速度对比

立方氮化硼刀具的高寿命使得这种刀具非常适合于数控机床加工，不仅可以减少换刀次数，而且淬火前的粗加工（用硬质合金刀具）和淬火后的精加工（用CBN刀具）能在同一台数控机床上进行，因而能减少机床品种，减少工序，提高生产率和加工质量。

（2）良好的表面质量 用CBN刀具加工淬硬钢的表面粗糙度比较接近理论值，特别是在高的工件硬度和高的切削速度加工时更是如此，加工表面粗糙度值一般可达Ra0.4～0.2μm，有时可达0.1μm以下，因而可代替磨削，实现以车代磨。由于CBN刀具加工时的切削温度较低，加工淬硬钢时工件组织不会产生显著变化，不像磨削时容易产生表面烧伤。而且这种刀具加工时，工件表层常产生压应力，而磨削时常产生拉应力，因此CBN刀具加工的零件比磨削的零件有高的疲劳强度及耐磨性。

（3）高的加工精度 CBN刀具高的耐磨性使得加工时能获得高的加工精度，特别是高的尺寸精度，而且容易控制零件尺寸的一致性。